魏運(yùn)鋒，李偉，劉慶東

（中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信大慶市分公司，大慶 163318）

永暑礁基站新能源混合供電系統(tǒng)

魏運(yùn)鋒，李偉，劉慶東

（中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信大慶市分公司，大慶 163318）

本文首先介紹了永暑礁充足日照、風(fēng)力、制氫資源，為風(fēng)光氫混合供電提供前提；其次，根據(jù)系統(tǒng)的組成及配置方法，提出具體的供電方案；然后在系統(tǒng)投資、維護(hù)成本、總體經(jīng)濟(jì)效益方面與其他供電方式進(jìn)行了比較分析，得出風(fēng)光氫混合供電系統(tǒng)是一種很好的供電方式，并有明顯的節(jié)能減排效果，在風(fēng)光充足的偏遠(yuǎn)地區(qū)有廣闊的應(yīng)用前景。

混合供電；節(jié)能減排；經(jīng)濟(jì)效益

1 概述

2016年1月永暑礁正式通航，越來(lái)越多的游客到祖國(guó)最南端感受祖國(guó)的唯美山河，該島地處偏僻，對(duì)游客及駐扎軍隊(duì)想與外界通信是一個(gè)難題。6月份伴隨中國(guó)移動(dòng)永暑礁4G基站項(xiàng)目的竣工實(shí)現(xiàn)祖國(guó)各地全方位通信，中國(guó)移動(dòng)通信達(dá)到一個(gè)新的高度。但是永暑礁地理位置復(fù)雜遠(yuǎn)離祖國(guó)大陸，給基站的供電帶來(lái)一定的困難，三沙市政府也意識(shí)到這個(gè)問(wèn)題的存在，隨著新能源的發(fā)展，太陽(yáng)能、風(fēng)能及氫能逐漸成為新型供電方式，并且永暑礁日照充分，風(fēng)能資源豐富給新能源發(fā)電提供一個(gè)有力支持。

太陽(yáng)能資源：永暑礁一年中受到太陽(yáng)直射的次數(shù)為兩次，且輻射總能量大可以達(dá)到140千卡/cm2。由于地處維度較低太陽(yáng)的輻射角度大，每年輻射資源儲(chǔ)量十分豐富，達(dá)到6 000 MJ/m2。總體統(tǒng)計(jì)分析，除12月輻射總量低于380 MJ/m2外，其余的月份均在380 MJ/m2以上，特別在陽(yáng)光充足的5月份，能量總量可以達(dá)到650 MJ/m2左右。通過(guò)天氣數(shù)據(jù)顯示，永暑礁全年日照時(shí)長(zhǎng)可達(dá)2 900 h左右，除日照時(shí)間較短的11-12月份外，其余月份的日照時(shí)長(zhǎng)均在200 h以上，5月份的日照時(shí)長(zhǎng)均值在300 h以上，所以永暑礁擁有巨大的太陽(yáng)能資源，具體日照如圖1(A)所示[1]。

風(fēng)能資源：永暑礁地處海域，屬于海洋季風(fēng)氣候，風(fēng)力資源相比內(nèi)陸地區(qū)要豐富的多，根據(jù)氣象數(shù)據(jù)顯示，永暑礁的年平均風(fēng)速在6 m/s左右，在風(fēng)力盛的5-9月份，有時(shí)風(fēng)速可以達(dá)到10 m/s，即便在冬季風(fēng)速都可以達(dá)到6 m/s，永暑礁儲(chǔ)存著巨大的風(fēng)力資源。具體風(fēng)速統(tǒng)計(jì)如圖1(B)所示[2]。

圖1顯示，永暑礁存儲(chǔ)豐富的太陽(yáng)能、風(fēng)能資源，海水資源更是豐富，為氫能的制取提供有力原料。在冬季太陽(yáng)照射較弱的時(shí)間段真是風(fēng)能分布豐富的季節(jié)，相反在風(fēng)速較弱的夏季里真是太陽(yáng)照射最強(qiáng)的時(shí)間段，太陽(yáng)能和風(fēng)能在全年相互補(bǔ)充，太陽(yáng)能、風(fēng)能都不理想的情況下可以利用儲(chǔ)備的氫能進(jìn)行發(fā)電，使供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可靠、安全的運(yùn)行。所以基于此原因本文設(shè)計(jì)太陽(yáng)能、風(fēng)能和氫能相互結(jié)合方式為基站供電是符合邏輯，并且具有一定的可實(shí)施性。

其他供電方式：（1）核電——小型核聚變裝置，電力絕對(duì)十足，代價(jià)昂貴，輻射力強(qiáng)還是戰(zhàn)爭(zhēng)打擊的對(duì)象。（2）潮汐發(fā)電，能夠滿足島上用電及基站供電，但是需要建設(shè)封閉的大壩，而且占地面積較大，有可能影響到過(guò)往的船只通行。（3）沼氣垃圾發(fā)電，單體容量小，無(wú)法為電源持續(xù)穩(wěn)定的供電。（4） 柴油機(jī)組發(fā)電，噪聲大，尾氣污染環(huán)境，后期維護(hù)成本高。（5）海底電纜供電，距離太遠(yuǎn)，建設(shè)成本太高，長(zhǎng)距離供電無(wú)法保證電壓的穩(wěn)定傳輸。綜上所述，太陽(yáng)能、風(fēng)能和氫能混合供電是最佳方案。

2 基站混合供電系統(tǒng)

基站混合供電系統(tǒng)總體分為智能控制節(jié)點(diǎn)和智能控制中心兩部分。智能控制節(jié)點(diǎn)由光伏發(fā)電子系統(tǒng)、氫燃料電源子系統(tǒng)、制氫儲(chǔ)氫子系統(tǒng)、蓄電池控制管理子系統(tǒng)組成。本地控制中心負(fù)責(zé)監(jiān)管基站電源總體狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)太陽(yáng)能、風(fēng)能及氫能電源供電互補(bǔ)情況，同時(shí)不斷采集供電能源的運(yùn)行參數(shù)及變化參數(shù)，CAN總線和CAN總線服務(wù)器連接到控制中心，傳輸數(shù)據(jù)參數(shù)指令和指標(biāo)要求，根據(jù)參數(shù)值適時(shí)調(diào)整混合供電系統(tǒng)的運(yùn)行效果，使整個(gè)供電系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)揮最大作用，達(dá)到基站最佳的供電效果。圖2為具體混合供電系統(tǒng)示意圖。

混合供電系統(tǒng)的供電模式根據(jù)不同外在風(fēng)光條件會(huì)有所變化，如在風(fēng)光資源充足時(shí)，可以充分給基站負(fù)載供電，同時(shí)有多余電量剩余可以電解水制氫并加以存儲(chǔ)，在風(fēng)光資源不足時(shí)加以備用。如果在風(fēng)光發(fā)電不足以同時(shí)滿足基站負(fù)載和制氫時(shí)，風(fēng)光發(fā)電只保證基站負(fù)載的正常運(yùn)行。若風(fēng)光發(fā)電進(jìn)一步降為無(wú)法供應(yīng)基站負(fù)載運(yùn)行時(shí)，由氫能發(fā)電維持負(fù)載的供電。太陽(yáng)能照射及風(fēng)能實(shí)時(shí)都在變化中，當(dāng)風(fēng)光發(fā)電電能恢復(fù)達(dá)到一定程度時(shí)，轉(zhuǎn)為風(fēng)光繼續(xù)發(fā)電，如此循環(huán)保證整個(gè)基站供電的穩(wěn)定可靠。太陽(yáng)能發(fā)電子系統(tǒng)的維護(hù)及運(yùn)行成本較低，供電穩(wěn)定性較高，但是現(xiàn)階段建設(shè)成本較高。風(fēng)能發(fā)電子系統(tǒng)維護(hù)運(yùn)行成本很低，發(fā)電量最高，但是發(fā)電穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高。根據(jù)日常發(fā)電量及負(fù)載容量，采用混合供電的方式為最佳方案[3～5]。

3 系統(tǒng)配置

3.1 日用電量和發(fā)電量需求

負(fù)載總功率580 W，直流48 V供，24 h工作計(jì)算總耗電量約為：

圖2 基站混合供電示意圖

E1=20 A×48 V×24 H=23.04 kWh， 大 約 消 耗23 kWh電?；旌习l(fā)電系統(tǒng)的供電效率按照75%計(jì)算，則等效所需的系統(tǒng)發(fā)電量約為28.75 kWh。

3.2 氫燃料電池配置

本設(shè)計(jì)方案采用稀土系金屬合金氧化物來(lái)儲(chǔ)存氫氣，這種儲(chǔ)氫方式效果非常顯著。型號(hào)為H6000儲(chǔ)氫瓶，可以儲(chǔ)存6 m3的氫氣。如果單個(gè)基站停電2天備用48 h，需要存儲(chǔ)約40 m3的氫氣，總體需求比較大，通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算需要7個(gè)儲(chǔ)氫瓶來(lái)滿足40 m3的容量。但是充分考慮基站間的能源調(diào)配問(wèn)題，所以多加一個(gè)儲(chǔ)氫瓶來(lái)存儲(chǔ)48 m3的氫氣?；鹃g能源調(diào)配可行性的計(jì)算48 m3這一數(shù)值可滿足負(fù)載的需求。具體配置與成本如表1所示。

表1 氫燃料電池配置與成本

本設(shè)計(jì)基站負(fù)載功率在1kW內(nèi)，消耗氫氣在40 m3左右，成本在0.4萬(wàn)元。

3.3 混合供電配置設(shè)計(jì)

永暑礁站點(diǎn)風(fēng)、光、氫能資源豐富，采用混合互補(bǔ)的方式供電，在風(fēng)、光資源都不足的時(shí)候利用氫能源作為后備電源?；旌匣パa(bǔ)對(duì)設(shè)備進(jìn)行供電（風(fēng)、光的配置比例通常按照風(fēng)：光＝8：2或7：3 或6：4或5：5進(jìn)行配置，有效降低單純建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本。根據(jù)永暑礁風(fēng)光資源的利用率，本設(shè)計(jì)按照風(fēng)：光＝6：4進(jìn)行配置）。根據(jù)數(shù)據(jù)日總發(fā)電量是負(fù)載日用電量的兩倍左右。由于系統(tǒng)有后備電源，本系統(tǒng)可以適當(dāng)降低系統(tǒng)的發(fā)電量。

3.4 混合供電設(shè)備

3.4.1 風(fēng)力機(jī)

本設(shè)計(jì)采用5 kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)，有效風(fēng)速5 m/s，風(fēng)機(jī)輸出功率0.55 kW，每臺(tái)日發(fā)電量為0.55×24=13.2 kWh，日發(fā)電量=15.84 kWh。

考慮不但滿足負(fù)載用電，還需制氫存儲(chǔ)供電，配置3臺(tái)5 kW風(fēng)力機(jī)。風(fēng)力機(jī)日總發(fā)電量=15.84 kWh×3臺(tái)=47.5 kWh；且風(fēng)力機(jī)具有以下特點(diǎn)。

（1）高效率：同等風(fēng)速下對(duì)比國(guó)外風(fēng)機(jī)發(fā)電量高出30%以上，風(fēng)機(jī)最重要的要看同等風(fēng)速下的發(fā)電而不是額定功率。

（2）高品質(zhì)：優(yōu)質(zhì)的材料，主軸和尾軸都采用不銹鋼材料，防腐防銹性能好；高性能翼型：采用木芯外粘玻璃纖維，使之壽命長(zhǎng)、阻尼性能高、動(dòng)態(tài)特性好；專業(yè)的設(shè)計(jì)。

（3）多重保護(hù)：加載調(diào)速：先進(jìn)的高頻PWM控制，有效地減小風(fēng)機(jī)的振動(dòng)，延長(zhǎng)機(jī)組的使用壽命；自動(dòng)側(cè)偏：采用風(fēng)輪側(cè)偏式調(diào)速，風(fēng)速過(guò)大時(shí)風(fēng)輪側(cè)偏，以機(jī)械方式保護(hù)機(jī)組；風(fēng)葉失速控制：葉片中部翼型失速角度小，大風(fēng)風(fēng)輪提前進(jìn)入失速狀態(tài)。

3.4.2 光伏組件

永暑礁安裝地點(diǎn)的地形不平，多沙石，且光伏板造價(jià)高，光伏組件初步取1.98 kWp。計(jì)算光伏每天發(fā)電量為0.99×2 kWp×4.6 h= 9.1 kWh。在滿足風(fēng)光資源條件下，日總發(fā)電量=47.5 kWh+9.1Wh=56.6 kWh，根據(jù)上邊計(jì)算日需電量28.75 kWh，風(fēng)機(jī)和光伏輸出發(fā)電量約用電量的2倍，符合設(shè)計(jì)要求，具有可實(shí)施性。

3.4.3 儲(chǔ)氫組件

本方案采用質(zhì)子交換膜氫燃料電池。此燃料電池由最基本的單電池構(gòu)成，但是單電池的實(shí)際電流、電壓較小無(wú)法滿足實(shí)際基站供電需求，所以采取單電池串聯(lián)方式組成電池堆。本設(shè)計(jì)經(jīng)實(shí)際核實(shí)建議采用型號(hào)為FCPS-500氫燃料電池電源系統(tǒng)。氫燃料電池堆額定功率為500 W，額定電壓為24 V，額定電流約為20.83 A，符合基站供電系統(tǒng)的需求。兩個(gè)電池組串聯(lián)，也滿足額定電壓為48 V的要求[6]。

4 混合供電系統(tǒng)成本及節(jié)能減排分析

在遙遠(yuǎn)的永暑礁完成基站供電是我國(guó)通信行業(yè)的一次壯舉，但是也必須考慮到不同供電形式從投資、維護(hù)成本、可靠性、能耗等方面進(jìn)行比較分析，通過(guò)對(duì)混合供電系統(tǒng)與油機(jī)供電系統(tǒng)和風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的投資對(duì)比。驗(yàn)證混合供電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性及可實(shí)時(shí)性，為后續(xù)工程建設(shè)提供參考依據(jù)。

4.1 系統(tǒng)投資成本比較分析

投資方面，采用混合供電系統(tǒng)初期投資主要包括：光伏發(fā)電組件、風(fēng)力發(fā)電組件、電解水制氫機(jī)、儲(chǔ)氫裝置、安裝及其他費(fèi)用等。

從目前投資來(lái)講，風(fēng)光氫混合供電系統(tǒng)的投資最高。風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)次之，最少的為油機(jī)供電。這是因?yàn)闅淠苓€沒(méi)有在國(guó)際社會(huì)被廣泛應(yīng)用，造成氫能設(shè)備成本較高。

4.2 維護(hù)成本比較分析

風(fēng)光氫混合供電模式，平時(shí)的維護(hù)量很少，且組件的平均壽命長(zhǎng)，無(wú)論從平時(shí)維護(hù)成本、還是設(shè)備折舊方面都是最低的，從長(zhǎng)期來(lái)看成本費(fèi)用相對(duì)較少。表2為風(fēng)光氫混合供電模式、油機(jī)供電模式、風(fēng)光供電模式的維護(hù)成本費(fèi)用比較。

表2 維護(hù)成本比較分析

4.3 能耗和氣體排放量比較分析

風(fēng)光氫混合供電模式能源供給幾乎全部來(lái)自太陽(yáng)能和風(fēng)能，為綠色能源，不會(huì)產(chǎn)生任何污染和任何氣體排放量，符合國(guó)家的節(jié)能減排、環(huán)保政策。

4.4 總體經(jīng)濟(jì)效益比較分析

永暑礁基站供電總成本隨時(shí)間的增加成本正比增長(zhǎng)，總投資包括前期一次性投資和后期維護(hù)成本，把3種供電系統(tǒng)的總成本函數(shù)關(guān)系表示如圖3所示。

由圖3可以得出，隨著時(shí)間的推移總成本也是逐漸增加，雖然油機(jī)的前期投資比較低，但是油機(jī)的增長(zhǎng)速度明顯快于另外兩種供電模式，在投資后的第二年總成本和風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電成本相當(dāng)，5年后和風(fēng)、光、氫混合供電系統(tǒng)成本相當(dāng)。而在11年后風(fēng)光氫混合供的成本最低，并在壽命周期內(nèi)總成本低于風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)。

圖3 供電總成本隨時(shí)間走勢(shì)圖

5 結(jié)論

本文根據(jù)通信行業(yè)快速穩(wěn)定的發(fā)展，對(duì)在擁有豐富自然資源的偏遠(yuǎn)的海域地區(qū)的供電方式進(jìn)行論述，通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算分析驗(yàn)證風(fēng)光氫混合供電方式的正確性與可實(shí)施性。風(fēng)光氫混合供電一次性投資，后續(xù)維護(hù)工作簡(jiǎn)單，長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益好，符合國(guó)家節(jié)能減排政策，適合偏遠(yuǎn)海域供電。

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China new energy hybrid power supply system base station

WEI Yun-feng, LI Wei, LIU Qing-dong
(China United Network Communications Daqing Branch, Daqing 163318; China)

This paper fi rst introduces the sunshine, wind and hydrogen resources Yongshu adequate, scenery hydrogen hybrid power supply to provide the premise; secondly, according to the composition and con fi guration of the system, put forward the concrete scheme of power supply, then in the model system, investment cost, maintenance and other aspects of the overall economic bene fi ts of power supply are analyzed, the scenery of hydrogen hybrid power supply the system is a very good way of power supply, and has the obvious effect of energy-saving emission reduction, and has broad application prospects in the remote areas of plenty of scenery.

hybrid power supply; conserve energy and reduce emissions; economic performance

TN86

A

1008-5599（2017）09-0068-05

2016-10-14